教科版高中物理必修第二册第三章万有引力定律课时PPT课件

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4　人造卫星　宇宙速度5　太空探索(选学)基础探究合作探究实践应用基础探究 形成概念·掌握新知知识点一　人造卫星1.动力学特点一般情况下可认为人造卫星绕地球做 运动,其向心力由 .提供。2.卫星环绕地球运动的规律情境化导学匀速圆周万有引力3.地球同步卫星:地球同步卫星位于 上方高度约 36 000 km处,因相对地面静止,也称静止卫星。地球同步卫星与地球以相同的 转动,周期与地球自转周期 。知识点二　宇宙速度1.近地卫星的速度赤道角速度相同7.92.宇宙速度7.9匀速圆周11.2地球16.7太阳知识点三　太空探索1957年10月,苏联将第一颗人造卫星送入环绕地球的轨道。1969年7月,美国“阿波罗11号”飞船登上 。2003年10月15日,我国航天员 被送入太空。2011年9月29日,“天宫一号”在酒泉卫星发射中心成功发射。2016年9月15日,“天宫二号”空间实验室在酒泉卫星发射中心发射成功。月球杨利伟思考与自测1.思考判断(1)发射人造卫星需要足够大的速度。(　 　)(2)卫星绕地球运行不需要力的作用。(　 　)(3)卫星的运行速度随轨道半径的增大而增大。(　 　)(4)绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是 10 km/s。(　 　)(5)在地面上发射人造地球卫星的最小速度是 7.9 km/s。(　 　)(6)地球同步卫星可以“静止”在北京的上空。(　 　)√ ×××√ ×2.思维探究(1)人造卫星的环绕速度能大于7.9 km/s吗?发射速度能小于7.9 km/s吗?答案:不能,不能。(2)人造卫星能够绕地球转动而不落回地面,是否是由于卫星不再受到地球引力的作用?答案:不是,卫星仍然受到地球引力的作用,但地球引力全部用来提供向心力。(3)通常情况下,人造卫星总是向东发射的,为什么?答案:地球由西向东自转,如果顺着地球自转的方向,即向东发射卫星,就可以充分利用地球自转的惯性,节省发射所需要的能量。合作探究 突破要点·提升关键要点一　人造卫星问题情境如图所示,在地球的周围,有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动。(1)这些卫星的轨道平面有什么共同特点?答案:(1)轨道平面过地心。(2)做圆周运动的卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度跟什么因素有关呢?答案:(2)与轨道半径有关。归纳拓展1.人造卫星绕地球运行的动力学原理人造卫星在绕地球运行时,只受到地球对它的万有引力作用,人造卫星做圆周运动的向心力由万有引力提供。2.卫星的轨道(1)卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道,也可以是圆轨道。(2)卫星绕地球沿椭圆轨道运行时,地心是椭圆的一个焦点,其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律。(3)卫星绕地球沿圆轨道运行时,由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力,而万有引力指向地心,所以地心一定是卫星圆轨道的圆心。(4)三类人造卫星轨道(如图所示)。①赤道轨道:卫星轨道在赤道所在平面上,卫星始终处于赤道上方;②极地轨道:卫星轨道平面与赤道平面垂直,卫星经过两极上空;③一般轨道:卫星轨道平面和赤道平面成一定角度,但不重合或垂直。AC学习笔记处理天体运动问题的两个提醒(1)在处理卫星的v、ω、T与半径r的关系问题时,用公式“gR2=GmE”来替换出地球的质量mE会使问题解决起来更方便。(2)将人造地球卫星发射得越高,需要的发射速度越大,但卫星最后稳定在绕地球运行的圆形轨道上时的速度越小。[针对训练1] 2018年2月12日,“长征三号”乙运载火箭以“一箭双星”的形式将两颗北斗导航卫星成功送入预定轨道,这两颗卫星属于中圆地球轨道卫星,即采用圆轨道,轨道高度低于同步卫星的轨道高度,引力常量为已知,下列说法正确的是(　 　)A.这两颗卫星在其轨道上运行的速率小于同步卫星的速率B.这两颗卫星在其轨道上运行的周期小于同步卫星的周期C.这两颗卫星在其轨道上运行的加速度大于地球表面的重力加速度D.如果已知这两颗卫星在其轨道上运行的周期与轨道半径可以计算出地球密度B要点二　地球同步卫星问题情境(1)同步卫星相对于地面做什么运动?答案:(1)静止;(2)同步卫星的运行方向和地球自转方向一致还是相反?答案:(2)一致;(3)同步卫星的运转周期和地球自转周期相同吗?是多少?答案:(3)相同,T=24 h;(4)同步卫星的运行角速度和地球自转的角速度相等吗?答案:(4)相等;(5)同步卫星的轨道平面为什么必须与赤道平面重合?答案:(5)因为要与地球同步;(6)若同步卫星离地的高度固定不变,请求出这个高度。1.地球同步卫星:相对地面静止的卫星,又叫静止卫星。2.运行原理:和地球的其他卫星相同,都是由万有引力提供向心力。3.特点归纳拓展[例2] 2019年5月17日,我国成功发射第45颗北斗导航卫星,该卫星属于地球静止卫星(同步卫星),该卫星(　 　)A.入轨后可以位于北京正上方B.入轨后的速度大于第一宇宙速度C.发射速度大于第二宇宙速度D.入轨后的加速度小于地面重力加速度D学习笔记对地球同步卫星的深度理解所有同步卫星高度都一样,线速度大小也一样,因为只有在那个高度,卫星和地球之间的引力才恰好提供了卫星做周期为24 h的圆周运动所需的向心力。低于这个高度,卫星因速度加快,周期变短,不再与地球同步;高于这个高度,卫星因速度变小,周期变长,也不再与地球同步。另外,由于卫星轨道平面必须通过地球球心,因此地球同步卫星只能在赤道平面上。综上所述,所有同步卫星只能在赤道平面上的同一高度,以相同的线速度与地球同步运转。[针对训练2] 由于通信和广播等方面的需要,一些国家发射了地球同步卫星,这些卫星的(　 　)A.质量可以不同 B.轨道半径可以不同C.轨道平面可以不同 D.速率可以不同A要点三　对第一宇宙速度的理解与计算问题情境如图所示为演示抛物实验。思考讨论:(1)平抛物体的速度逐渐增大,物体的落地点如何变化?答案:(1)平抛物体的速度逐渐增大,物体的落地点逐渐变远。(2)抛出速度达到一定值后,物体能否落回地面?答案:(2)抛出速度达到一定值后,物体将不再落回地面。(3)若不能落回地面,则恰好不落回地面时的临界抛出速度是多少?如图所示为演示抛物实验。思考讨论:(4)若此速度再增大,又会出现什么现象?答案:(4)若此速度再增大,物体不落回地面,也不再做匀速圆周运动,万有引力不能提供所需要的向心力,从而做离心运动,轨道变为椭圆轨道。(5)发射卫星,要有足够大的速度才行,怎样求地球的第一宇宙速度?不同星球的第一宇宙速度是否相同?(6)把卫星发射到更高的轨道上需要的发射速度越大还是越小?答案:(6)轨道越高,需要的发射速度越大。1.第一宇宙速度:第一宇宙速度是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动的速度。2.第一宇宙速度的推导归纳拓展3.对第一宇宙速度的理解(1)“最小发射速度”:向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难,因为发射卫星要克服地球对它的引力。近地轨道是人造卫星的最低运行轨道,而近地轨道的发射速度就是第一宇宙速度,所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。[例3] 如图所示,在发射卫星的过程中,卫星首先从低轨道进入椭圆轨道 Ⅰ,然后在Q点通过改变卫星速度,让卫星进入高轨道 Ⅱ。则下列说法错误的是(　 　)A.该卫星的发射速度必定小于11.2 km/sB.卫星在Q点通过加速实现由轨道Ⅰ进入轨道ⅡC.卫星在轨道Ⅱ上的运行速度大于7.9 km/sD.在轨道Ⅰ上,卫星在P点的速度大于在Q点的速度解析:发射速度要大于等于第一宇宙速度小于第二宇宙速度,故A说法正确;通过在Q点加速使卫星由原来的向心运动变为圆周运动,故B说法正确;第一宇宙速度为卫星绕地球做圆周运动的最大速度,在轨道Ⅱ上的运行速度小于7.9 km/s,故C说法错误;近地点速度大,远地点速度小,则卫星在P点的速度大于在Q点的速度,故D说法正确。C学习笔记第一宇宙速度的计算(1)方法:第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度,最大环绕速度,也是近地卫星的环绕速度。根据万有引力提供向心力计算出轨道半径等于地球半径的卫星的环绕速度,即为地球的第一宇宙速度。(2)技巧:①如果知道天体的质量和半径,可直接列式计算;②如果不知道天体的质量和半径的具体大小,但知道该天体与地球的质量、半径关系,可分别列出天体与地球环绕速度的表达式,用比例法进行计算;③如果知道天体的重力加速度,可以用“黄金代换”求解。[针对训练3] 已知地球的第一宇宙速度为7.9 km/s,第二宇宙速度为11.2 km/s,下列叙述正确的是(　 　)A.第一宇宙速度是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度B.第二宇宙速度是物体成为地球卫星的最小发射速度C.所有地球卫星环绕地球的运行速度介于7.9 km/s 和11.2 km/s之间D.宇宙速度是相对于地面,而不是相对地心A解析:第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度,故A正确;第二宇宙速度为11.2 km/s,是物体挣脱地球引力束缚的最小发射速度,故B错误;对于绕地球做圆周运动的卫星,其速度一定不超过第一宇宙速度,即7.9 km/s,故C错误;宇宙速度是相对于地心,而不是相对地面,故D错误。实践应用 拓展延伸·凝练素养模型·方法·结论·拓展关于卫星的两个典型问题1.卫星中的超、失重现象(1)在卫星发射和回收过程中,具有向上的加速度,因此卫星中的物体处于超重状态(注意不是与物体在地面时所受重力相比)。(2)卫星进入轨道后,不论是圆周运动还是椭圆运动,卫星中的物体对其他物体不再有挤压或牵拉作用,处于完全失重状态,卫星中的仪器,凡是使用原理与重力有关的均不能使用。2.卫星的发射速度与绕行速度(1)发射速度是指将地面上的人造卫星送入预定轨道运行所必须具有的初速度。要发射一颗人造卫星,发射速度不能小于第一宇宙速度。因此,第一宇宙速度又是最小的发射速度。卫星的预定轨道离地面越高,卫星所需的发射速度越大,贴近地球表面的卫星(近地卫星)的发射速度最小,其运行速度即第一宇宙速度。[示例] (多选)关于人造卫星及其中物体的超重、失重问题,下列说法正确的是(　 　)A.在发射过程中向上加速时产生超重现象B.在降落过程中向下减速时产生超重现象C.进入轨道后做匀速圆周运动,产生失重现象D.失重是由于地球对卫星内物体的作用力减小而引起的ABC解析:在发射的过程中,加速度方向向上,物体处于超重状态,故A正确;在降落的过程中,向下减速运动,加速度向上,物体处于超重状态,故B正确;进入轨道后做匀速圆周运动,卫星内物体对悬挂物的拉力或对支撑面的压力都为零,处于完全失重状态,故C正确;失重时地球对卫星内物体的作用力不变,是物体对支撑面的压力或对悬挂物的拉力减小了,故D错误。科学·技术·社会·环境宇宙飞船宇宙飞船在载人航天史上有着不可磨灭的功绩,由于它在技术上较其他载人航天器易于实现,所需投入较少,研制周期也短,因而首先拉开了载人航天的帷幕。人类通过宇宙飞船突破并掌握了载人航天的基本技术,使人类千百年来的登天梦想得以实现。在送人上太空后,宇宙飞船被用于对地观测、航天员出舱作业和生物学研究等多种科学研究和各项航天技术试验,取得了巨大的成果。宇宙飞船最重要的用途之一就是为空间站和未来月球基地等接送航天员和物资,其费用较航天飞机低得多。目前在轨的“国际空间站”和以前的“和平号”空间站、“礼炮号”系列空间站以及美国“天空实验室”空间站,都是用宇宙飞船作为往返交通工具的,苏联“联盟15号”飞船曾在“礼炮7号”空间站和“和平号”空间站间来回飞行并对接,成为世界上第一辆太空“公共汽车”。2003年10月15日9时整,“神舟五号”飞船载着中国第一位飞天航天员杨利伟成功升空,在太空遨游了21个多小时,绕地球飞行14圈,于2003年10月16日6时23分在内蒙古草原安全着陆。“神舟五号”的成功发射,标志着中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家。中国和其他国家一样,在此之前探索宇宙的道路已经历了艰难的跋涉,且已取得了巨大成就。[示例] (多选)“天舟一号”货运飞船于2017年4月20日在文昌航天发射场成功发射升空。与“天宫二号”空间实验室对接前,“天舟一号”在距地面约380 km的圆轨道上飞行,则其(　 　)A.角速度小于地球自转角速度B.线速度小于第一宇宙速度C.周期小于地球自转周期D.向心加速度小于地面的重力加速度BCD课堂小结·思维导图点击进入 课时作业·巩固提升